第36卷第1期煤炭轉(zhuǎn)化Vol 36 No. 12013年1月COAL CONVERSIONJan.2013煤與焦?fàn)t煤氣共制合成氣的理論研究范嶺1王巧榮?)范摘要利用物料平衡、能量平衡和化學(xué)平衡,對(duì)氣化爐入口物料與出口有效氣體成分間的數(shù)量關(guān)系進(jìn)行了理論計(jì)算,并應(yīng)用 Fluent軟件對(duì)反應(yīng)器內(nèi)形成的溫度場(chǎng)與出口合成氣主要成分的濃度場(chǎng)進(jìn)行了模擬,得出改變焦?fàn)t煤氣和煤的比例,可直接生產(chǎn)出氫碳比在1.0~2.0間的合成氣關(guān)鍵詞焦?fàn)t煤氣和煤的比例,有效氣體成分,氫碳比中圖分類(lèi)號(hào)TQ546,TQ018表1山西古交煤粉成分(%,d)0引言Table 1 Component of Shanxi Gujiao coal(%,d)C焦?fàn)t煤氣和煤通過(guò)不同的技術(shù)路線(xiàn)都可以得到17.1866.513.712.212.88化工生產(chǎn)所需要的粗合成氣,所不同的是,以焦?fàn)t煤表2焦?fàn)t煤氣主要組分的體積分?jǐn)?shù)(%氣為原料生產(chǎn)的粗合成氣中,H2/CO比值一般在Table 2 Volume content of the mail componentin coke-oven gas(%)2.5~3.0之間,氫碳比偏高;以煤為原料生產(chǎn)的Hz CH, Co C2H. CHs COz N2 O粗煤氣中,H2/CO比值一般在0.3~0.7之間,氫碳9.625.66.070.50.244.00.4比偏低.兩者都不符合醇醚類(lèi)化工產(chǎn)品所需要的cke0cmpsH2/CO比值(應(yīng)在1.0~2.0之間)的要求.前者需asif Crude synthetic增加補(bǔ)碳或去氫工藝;后者需增加CO變換工藝.鑒叫b四巴@mp于上述原因,為了簡(jiǎn)化工藝,達(dá)到節(jié)能降耗、減少產(chǎn)cl品成本和降低環(huán)境污染的目的,本研究將煤的氣化圖1煤與焦?fàn)t煤氣共制合成氣系統(tǒng)和焦?fàn)t煤氣的熱解過(guò)程合二為一,用一個(gè)反應(yīng)器同F(xiàn)ig. 1 Sketch map of producing synthetic gas時(shí)實(shí)現(xiàn)煤的氣化和焦?fàn)t煤氣的熱解,達(dá)到調(diào)整出口in coal and oven-coal粗煤氣組成成分的目的,一步實(shí)現(xiàn)從煤和焦?fàn)t煤氣1.1氧氣和焦?fàn)t煤氣量一定時(shí)煤粉耗量與H2/CO到所需氫碳比組成的合成氣比的關(guān)系1煤與焦?fàn)t煤氣共制合成氣的理論在加入氧氣量和焦?fàn)t煤氣量一定的條件下,通過(guò)改變煤粉的通入量,計(jì)算平衡煤氣中各成分的變計(jì)算化及H2/CO比值本研究取通入氣化爐的氧氣流量為0.77m3/s,焦?fàn)t煤氣量為1.35m3/s.由于水因?yàn)闅饣瘔毫Φ淖兓瘜?duì)平衡煤氣組成的影響不蒸氣在不同的溫度下含量不同以及惰性氣體不參加大,而且高壓不利于甲烷的轉(zhuǎn)化2,所以本研究在計(jì)反應(yīng)所以合成氣中各成分組成取干煤氣組成同時(shí)算中取氣化壓力為常壓由于焦?fàn)t煤氣中含有較多只列出CO,CO2,H2和H2S的含量.通過(guò)VB編程的氫氣,與氧氣發(fā)生反應(yīng)可以生成大量的水,以維持進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)第44頁(yè)表3反應(yīng)器內(nèi)的溫度,所以入口處不考慮水蒸氣的加入由表3可知,通過(guò)改變煤粉的加入量,H2/CO原料的選用見(jiàn)表1和表2,系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1比可在1.0~2.0之間發(fā)生變化結(jié)果表明,煤與焦國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目(2009AA05Z216).1)工程師,太化集團(tuán)股份有限公司,030024太原;2)高級(jí)工程師晉西工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任中國(guó)煤化工土生導(dǎo)師,太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院,030024太原CNMHG收稿日期:2012-0825;修回日期:2012-10-30煤炭轉(zhuǎn)化2013年?duì)t煤氣共制合成氣可以生產(chǎn)出符合下游化工產(chǎn)品所對(duì)其反應(yīng)器內(nèi)的溫度場(chǎng)和合成氣成分的濃度場(chǎng)進(jìn)行需求的H2/CO比值的合成氣模擬表3通入不同煤媒粉量時(shí)合成氣成分與H2/CO比為了保證氧氣和煤粉能夠完全反應(yīng),經(jīng)過(guò)反復(fù)Table 3 Component of synthetic gas and模擬,最后設(shè)定反應(yīng)器的物料入口的噴嘴尺寸和相H,/Co for differential coal in amount對(duì)位置為:內(nèi)環(huán)道是氧氣通道,直徑為2.4mm;中Aets.( mponent of synthetie gsh。~/環(huán)道是媒粉通道,內(nèi)徑為65m,外徑為14m;外(kg·s-1)24.4651.4415.430.00122.10環(huán)道是焦?fàn)t煤氣通道,內(nèi)徑為22mm,外徑為54mm25.250.00502.05由于反應(yīng)器是軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),所以取其一半進(jìn)行模擬0.0525.9951.8614.150.00501.992.1溫度場(chǎng)模擬結(jié)果3.560.00701.9427.3952.1513.000.00851圖2為反應(yīng)器內(nèi)溫度場(chǎng)的分布情況.通過(guò)溫度0.1027.7352.2212.730.00951,80場(chǎng)內(nèi)溫度的分布可以了解反應(yīng)器內(nèi)的物理化學(xué)反應(yīng)332.818.260.2100.8特征由圖2可知,反應(yīng)器內(nèi)存在流體力學(xué)特征各異5153,15.050.28001.4240.752.590.32001.30的三個(gè)區(qū)(見(jiàn)圖3):射流區(qū)、回流區(qū)與管流區(qū)與此0904.3852480.630.36001.21三個(gè)區(qū)相應(yīng),存在化學(xué)反應(yīng)特征各異的三個(gè)區(qū):一次1.2氧氣和煤粉量一定時(shí)焦?fàn)t煤氣耗量與H2/CO反應(yīng)區(qū)、二次反應(yīng)區(qū)和一、二次反應(yīng)共存區(qū)比的關(guān)系3.09e+032.82e+03當(dāng)氧氣通入量為0.77m3/s,煤粉的加入量為2.55e+00.9kg/s時(shí),通過(guò)改變焦?fàn)t煤氣量所生成的合成氣L.75e+03中CO,CO2,H2和H2S的體積分?jǐn)?shù)及H2/CO比見(jiàn)48+03l21e+03表438e+02衰4通入不同的焦?fàn)t煤氣時(shí)合成氣成分與H2/COTable 4 Component of synthetic gas and H2/CO3.25e+033.00e+03for differential coke-oven gas in amountAmout of coke-ovenComponent of synthetic gas /%gas/(m3·s-1)H22.25e58.9416.3621.200.940.302.00e+0358.0725.8312.510.770.443E3033.397.6952.2439.304.840.560.150-0349.4243.933.060.480.901.25e+0346.9247.601.890.431.011.00e40300.1020.304050.6070844.7650.551.442.9253.030.500.341.231.641.3255.070.0710.311.33圖2反應(yīng)器內(nèi)溫度場(chǎng)分布情況結(jié)果表明,當(dāng)沒(méi)有加入焦?fàn)t煤氣時(shí),在給定的煤Fig 2 Temperature distribution in reactor粉和氧氣量下所生成的合成氣中CO含量嚴(yán)重偏高,H2/CO比值為0.3.隨著焦?fàn)t煤氣加入量的增加,H2/CO比值上升.2反應(yīng)器內(nèi)溫度場(chǎng)與各主要成分的濃度場(chǎng)的數(shù)值模擬由上述計(jì)算結(jié)果可知,在同一反應(yīng)器內(nèi)煤焦?fàn)t煤氣氧氣聯(lián)合氣化通過(guò)改變進(jìn)料條件,可以直接生圖3反應(yīng)器內(nèi)區(qū)域模型產(chǎn)出H2/CO比在1.0~2.0之間的合成氣.下面采用Fig.中國(guó)煤化工 on zonesFLUENT軟件3,在入口氧氣流量為0.77m3/s,焦CNMHGreaction and爐煤氣流量為1.35m3/s,煤粉流量為0.9kg/s下secondary reaction zone; 3---Secondary reaction zone第1期范嶺等煤與焦?fàn)t煤氣共制合成氣的理論研究45在反應(yīng)器中的化學(xué)反應(yīng)根據(jù)其特征可分為兩反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物與生成物各成分的變化見(jiàn)圖類(lèi):可燃組分的燃燒反應(yīng),為一次反應(yīng);燃燒產(chǎn)物與由圖4可知,一次反應(yīng)結(jié)束后接著就是二次反應(yīng),甲烷的轉(zhuǎn)化反應(yīng),為二次反應(yīng)射流區(qū)主要以燃料的即沿反應(yīng)器軸線(xiàn)方向約100mm處開(kāi)始,C和CO2燃燒反應(yīng)為主,為一次反應(yīng)區(qū)視混合情況而定迅速減少,同時(shí),CO和H2及H2O增加到最大次反應(yīng)區(qū)有可能延伸到管流區(qū).管流區(qū)中的反應(yīng)以由圖2可知,沿反應(yīng)器軸線(xiàn)方向大約100mm~次反應(yīng)為主,為二次反應(yīng)區(qū);回流區(qū)為一、二次反250mm處,燃燒反應(yīng)劇烈,反應(yīng)溫度較高,最高達(dá)應(yīng)共存區(qū).3100K.在這一區(qū)間由于反應(yīng)器內(nèi)溫度較高,有部22反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)區(qū)的特征及各成分的濃度分布分甲烷發(fā)生了析碳反應(yīng),所以反應(yīng)器內(nèi)碳含量突然增加(見(jiàn)圖4b).一次反應(yīng)區(qū)結(jié)束的標(biāo)志是氧氣消耗燃燒反應(yīng)是一次反應(yīng)區(qū)的主要特征氧氣煤粉殆盡,隨后進(jìn)入二次反應(yīng)區(qū),一次反應(yīng)區(qū)的產(chǎn)物和焦?fàn)t煤氣進(jìn)入反應(yīng)器后,接受來(lái)自火焰和爐壁的H2O,CO2,H2,CO與CH4在二次反應(yīng)區(qū)進(jìn)行轉(zhuǎn)化輻射熱,溫度迅速升高,內(nèi)環(huán)道射出的氧氣與中環(huán)道反應(yīng),還有少量CH裂解形成的碳黑在二次反應(yīng)區(qū)噴出的煤粉發(fā)生燃燒反應(yīng),由于H2的擴(kuò)散速度較中被氣化.二次反應(yīng)區(qū)內(nèi)的反應(yīng)有快,外環(huán)道噴出的焦?fàn)t煤氣中的H2也參與了燃C+CO2=2CO(4)燒反應(yīng)故一次反應(yīng)區(qū)的主要燃燒反應(yīng)為CtH20=co+hC+O2=COCH,+H20=C0+3H2(6)2H2+O2=2H2O(2)CH,+CO2=2H,+2CO2CO+O2=2C0(3)CO+H2=CO+H2O(8)l.D0e+002.25e-10900e0l200e-13.50e01百700e0181756-1050e-10250e012.00e-013.00e0750e-12.00e015.00e-11100e-01000c+0000.10203040.5060708010203040506070.80000000.1020.3040.5060708Position/mPosition /m2.25e-10500e0I300e0200e-104.50e0181,75e-10s2501.50e-101.25e10150e01750e-111.00e-0250011250e-115002500e+0200.1020.3040.50607080.00e+000.10.20.30405060.70.800.1020.3040506070.8osition/mPosition /m圖4反應(yīng)器內(nèi)O2,C,H2O,CO2,H2和CO的分布情況g 4 Distribution of Oz, C, H2O, CO2, H2 and CO in reactorOz::c-H2O;d-CO2ie---H2:f---CO在回流區(qū)進(jìn)行的反應(yīng)可能是式(1)~式(8)的任何反應(yīng),其反應(yīng)主要取決于噴嘴結(jié)構(gòu)、射流區(qū)與回流3結(jié)論區(qū)的混合狀況如果氧氣被卷吸進(jìn)回流區(qū),則必發(fā)生將煤的氣化和焦?fàn)t煤氣的熱解過(guò)程合二為式(1)~式(3)和甲烷的燃燒反應(yīng);在二次反應(yīng)區(qū)進(jìn)用一個(gè)反應(yīng)器,同時(shí)實(shí)現(xiàn)煤的氣化和焦?fàn)t煤氣的熱行的反應(yīng)在回流區(qū)都會(huì)進(jìn)行解,一步實(shí)現(xiàn)從煤和焦?fàn)t煤氣到所需氫碳比組成的由于回流的存在,強(qiáng)化了反應(yīng)器內(nèi)各物質(zhì)的混合成氣通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬,初步得出改變焦合效果.在一般情況下,該區(qū)較多地進(jìn)行著吸熱反爐煤氣和煤的比例,可直接生產(chǎn)出氫碳比在1.0應(yīng),故溫度較低,這對(duì)保護(hù)噴嘴非常有利.2.0的合成氣中國(guó)煤化工CNMHG46煤炭轉(zhuǎn)化2013年參考文獻(xiàn)[1]賀永德.現(xiàn)代煤化工技術(shù)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004[2]王艷玲,馬素霞. 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In this paper, the Fluent software is used to simulatethe temperature field formed in the gasifier and the concentration field of the export syngas,maincomponents. We get first step conclusion that the syngas with the hydrogen carbon ratio in therange of 1.0-2.0 can be produced directly when changing the proportion of the coke-oven gas andcoaKEY WORDS proportion of coke-oven gas and coal, effective gas composition, ratio of hydrogen and carbon(上接第42頁(yè))STUDY ON KINETICS OF CHAR-CO, GASIFICATIONGu Jing Wu Shiyong Wu Youqing*and Gao Jinsheng( Guangzhou Haosheng Engineering Company Limited, 526000 Guangzhou;*School ofResource and Environmental Engineering, East China University ofScience and Technology, 200237 Shanghai)AbSTRACt The hypothesis, which is the dynamics control areas of the coal gasification, ofrandom pore model was improved, and the carbon conversion rate(X)and reaction time (t)by amodified random pore model (MRPM) of the high temperature coal char gasification/CO2 conversion reaction was described as X=1-exp[-kt(a+bkt +k222)]. During 950 C-1 400C. gasification temperature, the apparent activation energies of the Huainan slow and rapid pyrolysis coalchars-CO2 gasification were calculated by MRPM which respectively is 121. 99 kJ/ mol-153 75 kJ/mol and 88. 57 kJ/mol-121 39 kJ/mol. The results show that the effect of mRPM is better thanthat of random pore model and shrinking core model, it can well reflect the kinetic behavior ofchar gasification characteristics, and the model is suitable for simulation the gasification of differ-ent coal chars中國(guó)煤化工KEY WORDS coal char, elevated temperature, gasificatHCNMHGre model